Werkstofftechnik

Was Sie nach der Vorlesung Werkstoffkunde II wissen sollten

Stand 2012

Werkstofftechnik

Erstarrung

• Welche mikrostrukturellen Prozesse sind für die Fertigungsverfahren Urformen/Umformen/Trennen/Fügen/Stoffeigenschaften ändern wichtig?

• Was ist die freie Enthalpie?

• Skizzieren Sie den Verlauf der spezifischen freien Enthalpie über der Temperatur für ein reines Metall (ohne Allotropie).

• Skizzieren Sie die Änderung der freien Enthalpie in Abhängigkeit vom Keimradius beim Erstarren einer Metallschmelze. Erläutern Sie die Kurve.

• Erläutern Sie das Vorhandensein eines „minimalen Keimradius“ rmin.

• Erläutern Sie anhand einer Skizze den Einfluss der Unterkühlung auf den minimalen Keimradius.

• Was versteht man unter homogener und heterogener Keimbildung?

• Was sind Fremdkeime? Was versteht man unter Impfen?

Werkstofftechnik

Erstarrung – Urformen/Gießen

• Warum und unter welchen Bedingungen kommt es zur Entstehung von Dendriten bei der Erstarrung einer Metallschmelze?

• Erläutern Sie exogene und endogene Erstarrung.

• Skizzieren Sie ein typisches Gussgefüge mit dreizoniger Gussstruktur.

• Erläutern Sie die konstitutionelle Unterkühlung und deren Folgen für die Gussstruktur.

Werkstofftechnik

Erstarrung – Urformen/Gießen

• Nennen Sie die wichtigsten Gießfehler.

• Was versteht man unter der Schwindung beim Erstarren von Metallschmelzen?

• Erläutern Sie anhand einer Skizze die Entstehung von Lunkern, Mikrolunkern, Einfallstellen an der Oberfläche, Warmrissen.

• Was ist Gasporosität? Wie und warum entsteht sie?

• Nennen Sie eine andere Bezeichnung für Mikrolunker und Warmrisse.

• Wie lassen sich Warmrisse vermeiden?

• Erklären Sie die Entstehung von Korn-/Blockseigerungen. Wie lassen sich diese Erscheinungen vermeiden?

• Was sind Bindefehler bzw. Kaltschweißstellen. Warum entstehen sie?

• Warum sind Gießfehler unerwünscht?

• Welche Legierungen sind grundsätzlich gut gießbar?

• Grenzen Sie die Vor- und Nachteile von Guss- und Umformgefügen gegeneinander ab.

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Urformen/Sintern

• Erläutern Sie die Verfahrensschritte des Sintern und den Prozess selbst.

• Welche Werkstoffe/Bauteile werden durch Sintern hergestellt?

• Nennen Sie verschiedene Herstellungsmethoden für Metallpulver.

• Was versteht man unter heißem isostatischen Pressen (HIPen)?

• Was ist der Vorteil gegenüber kaltem und/oder axialem Pressen?

• Was ist ein Grünling? Welche Verdichtung kann erreicht werden?

• Bei welchen Temperaturen wird werden Metalle/Keramiken gesintert?

• Erläutern Sie die Entstehung des Sintergefüges am Beispiel von Kupfer.

• Welchen Einfluss haben Prozessparameter auf das Sintergefüge?

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Umformen

• Was versteht man unter Umformen?

• Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der plastischen Verformung von Metallen.

• Welche Gitterfehler sind die Grundlage der plastischen Verformung von Metallen?

• Nennen Sie Beispiele für Umformvorgänge.

• Was versteht man unter Kaltverfestigung? Erläutern Sie diese an einem Spannung-Dehnung-Diagramm (einer Verfestigungskurve).

• Erläutern Sie die mikrostrukturellen Prozesse bei der Kaltverfestigung.

• Wie äußert sich eine Kaltverfestigung in den mechanischen Kennwerten?

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Umformen

• Welche Probleme treten bei der Kaltumformung auf? Wie lassen sich diese umgehen?

• Was ist eine Warmumformung? Welche mikrostrukturellen Prozesse laufen dabei ab?

• Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der Erholung.

• Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der Rekristallisation an Hand von Gefügeskizzen.

• Was versteht man unter Polygonisation/Zellbildung/Bildung von Subkorngrenzen (Skizze)?

• Wie wirken sich Erholungsvorgänge/die Rekristallisation auf die mechanischen Eigenschaften aus?

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Umformen

• Unter welchen Bedingungen läuft die Rekristallisation ab?

• Erläutern Sie an Hand entsprechender Skizzen den Zusammenhang zwischen der Korngröße nach der Rekristallisation und dem Verformungsgrad/ der Glühtemperatur.

• Was ist der kritische Verformungsgrad?

• Wie ist die Rekristallisationstemperatur definiert?

• Was ist die Inkubationszeit?

• Wie entwickelt sich die Korngröße über der Glühzeit (Skizze)?

• Skizzieren Sie ein kaltverformtes und ein rekristallisiertes Gefüge.

• Skizzieren Sie ein Rekristallisationsschaubild.

• Was ist Sekundärrekristallisation?

• Wie wird die Rekristallisation technisch genutzt?

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Stahl / Gusseisen

• Skizzieren Sie eine Abkühlkurve für Reineisen. Kennzeichnen Sie die charakteristischen Umwandlungstemperaturen und die Phasenbezeichnungen.

• Skizzieren Sie das Fe-Fe3C-Diagramm und kennzeichnen Sie die wichtigsten Temperaturen, Konzentrationen und die Phasenfelder.

• Beschriften Sie die Phasenfelder im Fe-Fe3C-Diagramm gefügemäßig.

• Nennen und erläutern Sie die peritektische/eutektische/eutektoide Reaktion.

• Was versteht man unter Stahl?

• Erläutern Sie die Gefügeentstehung für einen Stahl mit maximal 0,02 Ma.-% Kohlenstoff.

• Erläutern Sie die Gefügeentstehung für einen untereutektoiden Stahl.

• Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen.

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Stahl / Gusseisen

• Was ist Ferrit – Austenit – Ledeburit I bzw. II – (Primär-, Sekundär-, Tertiär-)Zementit – Perlit?

• Was versteht man unter einem austenitstabilisierenden Element?

• Wie wird der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst?

• Warum wird Kohlenstoff im a- und g-Gitter auf Oktaederplätzen gelöst?

• Warum wird das Fe-Fe3C-Diagramm auch „metastabiles Eisen Kohlenstoff-Diagramm“ genannt?

• Erläutern Sie die Gefügeentstehung für einen übereutektoiden Stahl. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen.

• Erläutern Sie die Gefügeentstehung für ein weißes Gusseisen. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen.

• Beschriften Sie das stabile Fe-C-Diagramm phasen- und gefügemäßig.

• Wodurch wird die Erstarrung nach dem stabilen System gefördert?

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Stahl / Gusseisen

• Skizzieren und erläutern Sie das Maurer-Diagramm.

• Erläutern Sie die Gefügeentstehung für langsame, mittlere und schnellere Abkühlung für untereutektische Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen und geben Sie jeweils an, ob die Umwandlung nach dem metastabilen oder stabilen System abläuft.

• Welche Arten der Graphitausbildung gibt es. Wie entstehen sie und wie beeinflussen sie die Eigenschaften des Graugusses?

• Welche Einflussgrößen bestimmen die Graphitausbildung im Grauguss?

• Beschreiben Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der beschleunigten Abkühlung von Stählen aus dem Austenitgebiet.

• Wie verändern sich hierbei die charakteristischen Umwandlungstemperaturen und -konzentrationen (Skizze)?

• Welche Gefüge entstehen bei der beschleunigten Abkühlung?

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Stahl

• Skizzieren und erläutern Sie ein isothermes – kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlung-Schaubild.

• Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen dem Fe-Fe3C-Diagramm und dem ZTU-Diagramm.

• Warum entsteht die charakteristische Nase im ZTU-Diagramm?

• Wie wirken sich bestimmte Legierungselemente, wie z.B. Cr, Mo, V, W oder Ni, auf die ZTU-Schaubilder von Stählen aus?

• Skizzieren Sie die ZTU-Schaubilder der entsprechenden Legierungsvarianten.

Werkstofftechnik

Stahl

• Beschreiben Sie den Ablauf der Wärmebehandlung Härten.

• Bei welchen Werkstoffen wird diese Wärmebehandlung angewendet?

• Welche mikrostrukturellen Vorgänge laufen beim Härten von Stahl ab?

• Wie heißt das entstehende Gefüge?

• Was versteht man unter Härtbarkeit – Einhärtbarkeit – Aufhärtbarkeit?

• Welchen Einfluss hat der C-Gehalt auf die Härte/Härtbarkeit?

• Welchen Einfluss haben Legierungselemente auf die Härtbarkeit?

• Skizzieren Sie den Härteverlauf über dem Querschnitt einer Welle aus un-/niedrig-/hochlegiertem Stahl für Abschrecken mit Wasser/Öl bzw. Luftabkühlung.

Werkstofftechnik

Stahl

• Wie laufen folgende Wärmebehandlungen ab: Normalisieren, Weichglühen, Härten, Vergüten, Einsatzhärten, Nitrieren?

• Nennen Sie die Ziele der aufgeführten Wärmebehandlungen.

• Skizzieren Sie Spannung-Dehnung-Kurven für einen normalisierten, gehärteten und vergüteten Stahl.

• Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge beim Vergüten (Vergütungsstufen!).

• Skizzieren Sie ein Vergütungsschaubild.

• Nennen Sie Beispiele für typische härtbare Stähle – Vergütungsstähle – Einsatzstähle.

• Erläutern Sie die Wirkung folgender Legierungselemente im Stahl: Ni, Mn – Mo – Cr – Cr+Mn oder Mo.

Werkstofftechnik

Aluminiumlegierungen

• Welche Gruppen von Aluminiumlegierungen unterscheidet man?

• Nennen Sie typische Aluminiumguss- bzw. -knetlegierungen.

• Nennen Sie typische aushärtbare bzw. nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen.

• Skizzieren Sie ein typisches Zustandsdiagramm für eine aushärtbare binäre Legierung.

• Nennen Sie die typischen Verfahrensschritte beim Aushärten.

• Skizzieren Sie die den einzelnen Verfahrensschritten zuzuordnenden typischen Gefüge und erläutern Sie deren Entstehung.

• Was versteht man unter Kaltaushärten/Warmaushärten/Überaltern?

• Welche Ausscheidungsstufen entstehen typischerweise beim Aushärten von Al-Cu-Legierungen?

• Welche Verfestigungsmechanismen werden bei nicht aushärtbaren bzw. bei aushärtbaren Al-Legierungen genutzt?

• Nennen und erläutern Sie die verschiedenen Verfestigungsmechanismen.

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Titan und Magnesium

16 Wissensstand WK I

• Wodurch zeichnet sich Titan allgemein hinsichtlich seiner Eigenschaften aus?

• Wo wird Titan genutzt?

• In welchen Gitter-Modifikationen kommt Titan (bzw. Ti-Legierungen) vor?

• Wodurch werden die Eigenschaften der Titan-Legierungen bestimmt?

• Vergleichen Sie a- und b-Phase des Titans (bzw. Ti-Legierungen).

• Welche Eigenschaften hat Magnesium.

• Welche Anwendungsmöglichkeit und ggf. Einschränkungen lassen sich für das Magnesium daraus ableiten.

• Welche Elemente sind Hauptlegierungselemente von Titan / Magnesium?

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Fügen / Schweißen

• Beschreiben Sie den grundlegenden Vorgang beim Fügen?

• Zu welcher Art des Fügens gehören Löten und Schweißen?

• Was versteht man unter dem Schweißen von Bauteilen?

• Skizzieren Sie den grundlegenden Aufbau einer Schweißnaht (Schmelzschweißen).

• Wie ist Schweißbarkeit definiert?

• Wodurch wird die Gefügeausbildung in einer Schweißnaht bestimmt?

• Wofür benötigt man Schweißzusatzwerkstoffe?

• Skizzieren und erläutern Sie die Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) beim Schweißen von Werkstoffen mit einphasigem, feinkörnigem – einphasigem, kaltverformtem – zweiphasigem, ausgehärtetem Grundgefüge.

Werkstofftechnik

Fügen / Schweißen

• Nennen Sie die wichtigsten Schweißfehler und ordnen Sie sie den Kategorien verfahrensbedingt – werkstoffbedingt zu.

• Erläutern Sie die Entstehung und Vermeidung dieser Schweißfehler.

• Was versteht man unter „ingenieurmäßiger Fehlerbetrachtung“?

• Nach welchen Kriterien werden die Fehler hiernach klassifiziert?

• Wodurch entstehen Schweißspannungen?

• Durch welche Faktoren werden sie beeinflusst?

• Erläutern Sie die Entstehung von Schweißspannungen anhand einer Skizze.

• Skizzieren Sie den Eigenspannungsverlauf (Quer- und Längsspannungen) in Längs- und Querrichtung einer Schweißnaht.

• Wie wirken sich Schrumpfungsbehinderungen auf den Eigenspannungszustand aus?

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Fügen / Schweißen

• Welche Probleme können beim Schmelzschweißen von Fe-Basis-Werkstoffen auftreten? Erläutern Sie deren Ursachen.

• Wie lässt sich die Schweißeignung von Stählen beurteilen?

• Beurteilen und erläutern Sie die Schweißeignung unlegierter und niedrig legierter Stähle in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt.

• Beurteilen und erläutern Sie die Schweißeignung hochlegierter Stähle.

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Korrosion

• Was versteht man unter Korrosion?

• Warum tritt sie bevorzugt bei Metallen auf?

• Unter welchen Bedingungen kommt es zu elektrochemischer Korrosion?

• Erläutern Sie anhand einer Skizze die Ausbildung des Gleichgewichtspotentials und der Doppelschicht an der Grenzfläche Metall – Elektrolytlösung.

• Was versteht man unter einer Elektrode – einer elektrochemischen Reaktion – dem elektrochemischen Potential – dem Gleichgewichtspotential – dem Standardpotential – dem Ruhepotential – dem Mischpotential?

• Nennen Sie ein Beispiel für eine Redoxreaktion. Wie lauten die beiden Teilreaktionen und wie werden sie benannt?

• Was versteht man unter einem edlen – unedlen Metall?

• Welche Reaktionen können bei Korrosion eines Metalls in wässerigen Lösungen auftreten (anodische und kathodische Teilreaktion(en))?

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Korrosion

• Skizzieren Sie die anodische – die kathodische – die Summen- Stromdichte-Potential-Kurven für Korrosion eines Metalls.

• Warum gehen in neutralen, sauerstoffhaltigen wässrigen Lösungen Metalle mit einem Standardpotential kleiner als 0,82 V in Lösung (und nicht nur diejenigen, deren Standardpotential kleiner als 0,41 V ist)?

• Skizzieren Sie eine (anodische) Stromdichte-Potential-Kurve eines passivierbaren metallischen Werkstoffes und benennen und erläutern Sie die kennzeichnenden Bereiche.

• Wo muss sich das Mischpotential einstellen, damit dieser Werkstoff im passiven Bereich bleibt?

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Korrosion

• Nennen Sie Korrosionsarten ohne – mit überlagerter mechanischer Beanspruchung.

• Skizzieren Sie die Korrosionsrate über der Zeit für einen „normalen“ – wetterfesten – passivierten Stahl.

• Nennen Sie werkstoffbedingte - elektrolytbedingte Ursachen für die Ausbildung eines Korrosionselements.

• Skizzieren Sie ein Korrosionselement für einen Werkstoff in wässeriger Umgebung. Kennzeichnen Sie anodische und kathodische Bereiche und nennen Sie die auftretenden Reaktionen.

• Diskutieren Sie an Hand eines geeigneten Diagramms den Einfluss des pH-Werts auf die Korrosion von Eisen.

• Diskutieren Sie an Hand geeigneter Diagramme den Einfluss des Sauerstoffgehalts – der Temperatur – des Salzgehalts – der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Korrosion von Metallen.

• Skizzieren Sie den Tropfenversuch. Kennzeichnen Sie die ablaufenden Prozesse und erläutern Sie diese auch im zeitlichen Ablauf.

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Korrosion

• Erläutern Sie die Vorgänge an der Grenzlinie Wasser – Luft z.B. an einem Schiffsrumpf.

• Was versteht man unter Kontaktkorrosion?

• Wie wirkt sich das Flächenverhältnis von Anode zu Kathode auf die Kontaktkorrosion aus?

• Welche weiteren Einflussfaktoren auf den Ablauf der Kontaktkorrosion gibt es?

• Nennen Sie Abhilfemaßnahmen gegen Kontaktkorrosion.

• Was versteht man unter selektiver Korrosion? Nennen und erläutern Sie Beispiele.

• Was versteht man unter interkristalliner Korrosion?

• Was versteht man unter Spaltkorrosion?

• Beschreiben und erläutern Sie die ablaufenden Prozesse.

• Nennen Sie Abhilfemaßnahmen.

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Korrosion

• Unter welchen Bedingungen und für welche Metalle tritt Lochfraßkorrosion überwiegend auf?

• Skizzieren Sie eine entsprechende Stromdichte-Potential-Kurve und erläutern Sie die ablaufenden Prozesse.

• Nennen und erläutern Sie die Voraussetzungen für Spannungsrisskorrosion (SpRK).

• Nennen und erläutern Sie aktive und passive Korrosionsschutzmaßnahmen.

• Welches ist das Hauptlegierungselement, um die Korrosionsbeständigkeit von Stählen zu erhöhen? Wie hoch muss der Gehalt dieses Elementes mindestens sein, um Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten?

• Nennen Sie die fünf Hauptgruppen korrosionsbeständiger Stähle.

• Erläutern Sie den Einfluss ferrit- und austenitstabilisierender Elemente auf das g-Gebiet.

Werkstofftechnik

Korrosion

• Nennen Sie typische Vertreter für Ferrit- und Austenitstabilisatoren.

• Was versteht man unter dem Chrom- bzw. Nickeläquivalent?

• Skizzieren und erläutern Sie das Schaeffler-Diagramm.

• Warum enthalten die meisten austenitischen Stähle ca. 18 % Cr und 10 bis 12 % Ni?

• Unter welchen Bedingungen kommt es zur Gefahr der interkristallinen Korrosion austenitischer Stähle?

• Erläutern Sie den Korrosionsmechanismus.

• Nennen Sie Abhilfemaßnahmen.

• Was versteht man unter einem „stabilisierten Austenit“?

• Beschreiben Sie das Korrosionsverhalten von Aluminium / Titan / Magnesium.

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Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe

26 Wissensstand WK I

• Erläutern Sie die Klassifizierung der anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffe und nennen Sie Beispiele.

• Beschreiben Sie die Verfahrensschritte der Keramikherstellung.

• Wie heißt der chemisch-physikalische Prozess, in dem der Werkstoff verdichtet und verfestigt wird?

• Was ist die Triebkraft des Sinterns?

• Welche atomaren Bindungen liegen in Keramiken und Gläsern vor?

• Wie sind die Atome in Keramiken / Gläsern räumlich angeordnet?

• Nennen Sie Beispiele der Oxidkeramiken und einige Anwendungen.

• Welche Vorteile und Nachteile haben Keramiken gegenüber Metallen?

• Welches Bruchverhalten zeigen Keramiken und Gläser gewöhnlich?

• Warum haben Fehler in der Keramik oft bruchauslösende Wirkung?

• Welches Merkmal des Bauteils geht in die Bruchzähigkeit des Werkstoffs ein und wirkt entscheidend für das Bauteilversagen?

Werkstofftechnik

Verbundwerkstoffe

27 Wissensstand WK I

• Welches allgemeine Ziel wird durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen verfolgt?

• Woraus besteht ein Verbundwerkstoff grundsätzlich?

• Welche Funktion hat die Matrix / das Sekundärmaterial?

• Welche Auswirkungen haben die Form / Größe / Orientierung des Sekundärwerkstoffs auf die mechanischen Eigenschaften?

• Welche positiven / negativen Effekte auf das Risswachstum werden durch das Sekundärmaterial erzielt?